應用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻抑制變壓器雷電過電壓方法

我國電力行業(yè)標準規(guī)定在變電站的母線和主變端口安裝金屬氧化物避雷器作為過電壓保護措施之一。研究表明，避雷器對雷電過電壓有比較好的抑制效果。實際運行中，仍有因雷電過電壓導致變壓器損壞的事故發(fā)生，可見雷電過電壓仍是導致變壓器繞組匝間絕緣損壞的一個重要原因。

當變電站附近發(fā)生近距離雷擊時，雷電侵入波傳播到變電站的距離短、衰減小。避雷器僅能限制過電壓的 幅值，不能降低過電壓的陡度，即到達變壓器的過電壓波仍可能具有很高的陡度，造成變壓器繞組上電壓分布很不均勻，嚴重時可造成變壓器端部繞組的匝間絕緣損 壞。因此，同時抑制雷電過電壓的幅值和陡度對于確保變壓器的安全運行具有實際意義，僅用避雷器作為變壓器的雷電防護措施并不十分充分。

在利用高頻磁環(huán)抑制電力系統(tǒng)快速過電壓的研究領(lǐng)域，本文作者已經(jīng)取得一定成果。在以往工作的基礎上，提出了利用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻來抑制變壓器雷電過電壓的方法，作為避雷器保護的補充和完善措施，并進行了相應的模擬試驗和仿真分析，證明了該方法的可行性。

1 過電壓抑制原理

利用高頻磁環(huán)抑制變壓器雷電過電壓的方法是將高頻磁環(huán)和阻尼電阻并聯(lián)后安裝到與變壓器相連接的線路上，改變線路的參數(shù)，增加雷電波傳播路徑中的電感和能量損耗。雷電波經(jīng)過高頻磁環(huán)和阻尼電阻之后幅值和陡度被削弱，從而保護了變壓器。

單獨使用磁環(huán)僅可以降低雷電波的陡度，不能消耗其能量;而且，由于雷電波幅值很高，磁環(huán)很容易因磁飽和而失去作用。因此，作為避雷器保護的補充，本文使用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻來抑制雷電過電壓，圖1 為原理示意圖。由多個磁環(huán)組成的磁環(huán)串套裝在變壓器的連接導線上， 阻尼電阻并接在磁環(huán)兩端。雷電波到達磁環(huán)串后，由于磁環(huán)電感的作用，一部分雷電流通過阻尼電阻分流，雷電波的幅值被衰減。研究表明，磁環(huán)串電感越大，則可 以選擇越大的阻尼電阻，獲得更大的衰減作用;在磁環(huán)串電感一定的情況下，阻尼電阻有一個最優(yōu)值，產(chǎn)生最大衰減。阻尼電阻的存在還有另一個重要作用，即通過 對雷電流的分流作用，減小磁環(huán)飽和程度。

圖1 高頻磁環(huán)串和阻尼電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2 為所采用的非晶磁芯材料(FJ37 型)的磁化曲線。如需有效抑制雷電波陡度，即需要足夠大的磁環(huán)串電感。磁環(huán)串電感取決于磁環(huán)材料特性和磁環(huán)串尺寸。在實際應用中，須盡可能選擇高飽和、高磁導率、高工作頻率的磁性材料。 要保證高頻磁環(huán)串的工頻阻抗很小，在工頻電流通過時損耗和壓降很小，不影響系統(tǒng)的正常運行。此外，還應根據(jù)應用條件優(yōu)化磁環(huán)的幾何形狀和尺寸。本文選取的 磁環(huán)由非晶磁芯構(gòu)成，非晶磁性材料的頻率范圍為300 kHz，相對磁導率200~1 000，飽和磁感應強度約1.5 T。非晶磁芯為鐵基材料，卷制加工，便于制做大尺寸磁環(huán)，價格合理。

圖2 仿真用非晶磁芯材料的磁化曲線